基于工業(yè)以太網(wǎng)的云桌面技術研究與應用

任少波，陳 源

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

0 引言

隨著信息化和智能化技術的深入發(fā)展，世界制造業(yè)正在向智能制造升級發(fā)展，工業(yè)4.0時代悄然來臨，傳統(tǒng)自動化工廠正在向智能工廠轉變。世界主要的發(fā)達國家重新重視制造業(yè)，美國政府希望重新實現(xiàn)工業(yè)化，讓美國制造企業(yè)回到美國，德國提出工業(yè)4.0行動計劃，以在國家制造業(yè)競爭中占領制高點和話語權。國務院發(fā)布的《中國制造2025》以及“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃對傳統(tǒng)制造業(yè)進行轉型升級，讓中國從低端、低利潤制造業(yè)向中高端、較高利潤制造業(yè)升級，搶奪世界工業(yè)分工體系制高點。制造企業(yè)向智造企業(yè)的升級須充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術和云計算技術實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)基礎設施自動化服務、生產(chǎn)資源和生產(chǎn)環(huán)境平臺化服務，服務系統(tǒng)軟件定制化以及智能化辦公和運營服務，能夠使企業(yè)獲得軟硬一體集成的解決方案，真正實現(xiàn)智能制造、智能運維、智能服務。工業(yè)以太網(wǎng)為制造企業(yè)生產(chǎn)設備實現(xiàn)互聯(lián)互通、自動控制提供了可靠高效的通信基礎，是傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉變的物理連接基礎。云桌面技術能有效保證制造企業(yè)的數(shù)據(jù)安全性、業(yè)務工作的連續(xù)性，為員工提供便捷的數(shù)據(jù)訪問，為企業(yè)精益制造和柔性制造提供了技術支撐?；诠I(yè)以太網(wǎng)的云桌面技術為企業(yè)向智能制升級造架起了技術橋梁。

1 以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)

1.1 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)在20世紀70年代開發(fā)，被電氣和電子工程師協(xié)會定義為IEEE 802.3標準。以太網(wǎng)IEEE 802.3 標準定義了郵箱訪問控制的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，覆蓋了一系列局域網(wǎng)設備。這些標準還描述了配置以太網(wǎng)網(wǎng)絡的規(guī)則以及網(wǎng)絡元素如何相互配合。使用以太網(wǎng)時，數(shù)據(jù)流被分成較短的片段或幀-每個片段或幀都包含特定信息，例如數(shù)據(jù)的源和目標。為了使網(wǎng)絡根據(jù)需要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)是必需的。以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)通常采用雙絞線或光纖電纜，以太網(wǎng)設備連接該電纜以提供數(shù)據(jù)傳輸路徑。標準以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbps～100 Mbps。千兆以太網(wǎng)又稱吉比特以太網(wǎng)，采用IEEE 802.3標準能夠?qū)崿F(xiàn)1 000 Mbps的信息傳輸速率。千兆以太網(wǎng)主要用于大傳輸量需求的骨干網(wǎng)。以太網(wǎng)使計算機可以通過一個網(wǎng)絡進行連接，沒有它，當今現(xiàn)代世界中的設備之間將無法進行通信。以太網(wǎng)是用于在組織的單個網(wǎng)絡上連接多臺計算機、設備、機器等的電線和電纜系統(tǒng)的全球標準，以便所有計算機可以相互通信。以太網(wǎng)利用傳輸介質(zhì)可以將多個設備連接到一個網(wǎng)絡上。以太網(wǎng)技術在眾多領域都得到了廣泛應用，是全世界使用最多的網(wǎng)絡通信技術。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)可以在更多的辦公室中使用。辦公室以太網(wǎng)是為辦公場景使用級別而設計的，而工業(yè)以太網(wǎng)可以考慮為多個級別，并可以應用于更重負荷的環(huán)境[1]。工業(yè)以太網(wǎng)需要應對工廠噪聲、工廠過程需求以及更惡劣的環(huán)境，甚至及時響應工廠現(xiàn)場的數(shù)據(jù)沖突。工業(yè)以太網(wǎng)中的電纜和連接器也可能有所不同，如在工業(yè)環(huán)境中使用的連接器將不是基本的嵌入式鎖定機制。由于惡劣的環(huán)境，需要更重的鎖定機構。重型應用中通常也需要密封連接器。商業(yè)或辦公室以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)的電纜連接器也會有所不同，即使是輕型的工業(yè)電纜也可能比商業(yè)以太網(wǎng)電纜具有等級更高的護套，同時重型的工業(yè)電纜使用的保護套及保護金屬的質(zhì)量也更高，更加結實耐用。確定性是定義工業(yè)以太網(wǎng)并將其與以太網(wǎng)分離時的重要因素。標準以太網(wǎng)本身并不是確定性的，但是工業(yè)環(huán)境需要確定性，需要在特定時間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，并且需要確保每次都能成功傳遞數(shù)據(jù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設備進行通信是出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者較大的數(shù)據(jù)延遲，可能造成重大的生產(chǎn)事故，導致產(chǎn)品出現(xiàn)嚴重缺陷，降低良品率。對于選擇部署哪種類型的以太網(wǎng)解決方案，這種實時信息傳輸通常是公司的主要決定因素。公司將評估其特定需求，并確定最適合組織的以太網(wǎng)解決方案。以太網(wǎng)正在工廠中迅速成為眾所周知和使用的技術。與工業(yè)應用中的現(xiàn)場總線相比，它在成本、數(shù)據(jù)量和傳輸速度方面都均有更高的要求。不用于商業(yè)和辦公環(huán)境以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)的應用環(huán)境更加惡劣，需要能夠應對數(shù)據(jù)沖突、工業(yè)噪聲以及嚴苛的生產(chǎn)環(huán)境要求。工業(yè)以太網(wǎng)本質(zhì)上仍是以太網(wǎng)，但是為適應特殊的工業(yè)生產(chǎn)要求而設計的以太網(wǎng)[2]。

2 云桌面

云桌面技術的核心是桌面技術虛擬化，即利用云計算技術和網(wǎng)絡技術把本地用戶計算機終端上的計算機桌面虛擬化安裝到遠程云服務器上，并通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對云桌面的操作[3]。本地計算機終端主要用于云桌面的顯示，并把鍵盤鼠標輸入通過網(wǎng)絡傳遞給云服務器。云桌面技術的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)計算機部署和使用方式，本地計算機終端變成了一個遠程桌面登錄終端，桌面操作和軟件安裝和使用都被在遠程云桌面上實現(xiàn)。無論用戶身處何地，只用有網(wǎng)絡條件許可，就可以像在辦公室一樣使用計算機，并且從用戶體驗上完全感覺不到差異，極大地提高了辦公效率，簡化和節(jié)省了系統(tǒng)維護成本。

不同于傳統(tǒng)個人計算機一般只安裝一個操作系統(tǒng)，使用一套桌面系統(tǒng)，云服務器可以根據(jù)需要虛擬出多個云桌面，每個云桌面都可以有獨立的操作系統(tǒng)和應用軟件，并有自己的用戶賬戶和密碼。對每個用戶而言，云桌面及其配置環(huán)境都是私有的。一臺云服務器上可以同時運行多個云桌面，實現(xiàn)了對處理器、內(nèi)存和磁盤等硬件設備的共享，同時用戶對桌面的使用是獨立安全互不影響的。云桌面技術的實現(xiàn)需要用到兩項關鍵技術，即桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議和服務器虛擬化。服務器虛擬化是實現(xiàn)云桌面的基礎，正是采用虛擬化技術，使得服務器硬件資源被軟件化、定制化，可以靈活實現(xiàn)分配和管理。而桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議是為用戶桌面云服務的通信手段，正是有了桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議用戶才使用體驗上才幾乎感覺不到云桌面與本地桌面的差異。

3 工業(yè)以太網(wǎng)與云桌面

傳統(tǒng)工業(yè)制造企業(yè)要向智能制造企業(yè)轉型升級首先要實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化，生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化是企業(yè)實現(xiàn)智能制造的物理基礎，對企業(yè)生產(chǎn)效率會產(chǎn)生直接影響，是企業(yè)邁進工業(yè)4.0的第一步。

制造企業(yè)要實現(xiàn)自動化和信息化控制首先要解決設備和系統(tǒng)的通信接入問題。20世紀80年代隨著生產(chǎn)制造規(guī)模的利益擴大和系統(tǒng)復雜化，工廠設備開始引入現(xiàn)場總線技術解決數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換工作，實現(xiàn)對設備的自動化控制。

現(xiàn)場總線技術由眾多企業(yè)研發(fā)，雖然群雄逐鹿但沒有哪家企業(yè)能實現(xiàn)行業(yè)標準壟斷，最終國際電工委員會通過了一個包含多個現(xiàn)場總線協(xié)議的IEC61158標準。IEC61158現(xiàn)場總線標準是對行業(yè)多種協(xié)議標準并存的妥協(xié)，但多標準就是事實上的無行業(yè)標準。為了實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)設備的互聯(lián)互通，需要采用一種得到廣泛認可、技術成熟的工業(yè)通信技術，因此在商業(yè)和辦公環(huán)境中廣泛使用的以太網(wǎng)技術由于開發(fā)性好、協(xié)議簡單、價格不高等優(yōu)點成為工業(yè)通信技術的新選擇。一些企業(yè)提出采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的解決方案，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)設備的通信連接，由此產(chǎn)生了工業(yè)以太網(wǎng)。由于以太網(wǎng)最初是為辦公環(huán)境設計的計算機局域網(wǎng)技術，沒有考慮工業(yè)生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的溫度、濕度、灰塵、噪聲等一系列環(huán)境需求，以及對數(shù)據(jù)丟包率、傳輸延遲容忍度的要求，因此不能把以太網(wǎng)技術直接用于工業(yè)生產(chǎn)過程，需對其進行特殊處理。工業(yè)以太網(wǎng)基于IEEE803.3標準，主要采用HSE，Modbus TCP/IP，ProfINet，Ethernet/IP等4種通信協(xié)議。從廣義的角度看，工業(yè)以太網(wǎng)可視作眾多現(xiàn)場總線技術中的一種。以太網(wǎng)在商業(yè)和辦公環(huán)境中稱為信息管理和信息通信的基礎設施，工業(yè)以太網(wǎng)也是工業(yè)生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程控制的信息基礎設施。工業(yè)以太網(wǎng)的突出優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡和生產(chǎn)控制網(wǎng)絡的統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡快速集成，硬件及相關開發(fā)技術眾多，得到大量廠商技術支持。

目前我國制造業(yè)及工廠生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的首要問題是加快實現(xiàn)信息化，為小批量、精細化、定制化的智能制造和柔性制造創(chuàng)造條件。制造企業(yè)往往員工眾多，特別是大型跨國企業(yè)員工分布在全世界眾多國家和地區(qū)，需要大量的計算機來對生產(chǎn)系統(tǒng)進行管理和控制。為應對生產(chǎn)線快速升級的需求，在智能工廠中采用本地計算機面臨的問題和弊端越來越多，使企業(yè)生產(chǎn)和管理系統(tǒng)信息化面對諸多挑戰(zhàn)。制造企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要用到大量涉及知識產(chǎn)權和關鍵信息的技術方案、涉及圖紙、客戶訂單信息等的重要數(shù)據(jù)。如果使用本地計算機進行關鍵信息管理，把重要數(shù)據(jù)存儲在本地磁盤，在缺少有效的存儲管理措施的情況下，可能會造成重要數(shù)據(jù)泄露或丟失，給企業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的風險。

生產(chǎn)制造過程中的升級維護可能涉及眾多設備終端的系統(tǒng)變更，傳統(tǒng)分散的計算機進行升級管理非常麻煩，需要逐個對計算機終端進行軟硬件進行重寫安裝和調(diào)試，工作量巨大、缺少靈活性，并容易造成重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失。同時，本地計算機一旦采購完成，其硬件升級的空間就會變得十分有限，難以靈活應對升級需求。通常為了保證數(shù)據(jù)安全，確保重要數(shù)據(jù)不被破壞，生產(chǎn)線系統(tǒng)升級時往往在完成數(shù)據(jù)備份后需要對計算機終端進行重新安裝，這會導致升級調(diào)試周期變得非常長，無法快速應對小批量，定制化的柔性制造需求。生產(chǎn)制造企業(yè)通常需要大量的計算機終端，因此軟件和硬件故障會不時發(fā)生，特別是對連續(xù)開工的生產(chǎn)線，需要專門的技術人員進行全天候進行系統(tǒng)維護，造成維護成本高昂、故障響應和處理不及時等問題，影響企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。云桌面技術的出現(xiàn)成了制造企業(yè)應對信息化過程中面對眾多挑戰(zhàn)的有效手段。通過云桌面技術，不管企業(yè)員工和專家在何處、何時辦公，都能通過網(wǎng)絡安全方便地查詢各種圖紙、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、客戶資料、設備狀態(tài)等重要企業(yè)運行數(shù)據(jù)。云桌面技術由于其便捷性、靈活性、安全性和便于升級維護等優(yōu)點在工業(yè)界受到重視[4]。在制造企業(yè)中，桌面云的優(yōu)點能有效應對生產(chǎn)線在轉型升級中面對的問題，幫助企業(yè)實現(xiàn)智能制造。云桌面技術采用端到端安全技術把重要數(shù)據(jù)都存儲在云端，由于在本地計算機終端不用存儲關鍵數(shù)據(jù)，極大地提高了數(shù)據(jù)安全，同時由于對關鍵數(shù)據(jù)進行集中統(tǒng)一管理，可以避免數(shù)據(jù)泄露和丟失。云桌面技術把計算資源和存儲資源虛擬化，能根據(jù)生產(chǎn)線的要求按需分配計算和存儲資源。同時，位于不同地點的生產(chǎn)線和辦公室能夠共享資源，便于企業(yè)對靈活布設生產(chǎn)區(qū)域。與傳統(tǒng)制造企業(yè)不同，采用了云桌面技術和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，生產(chǎn)和辦公環(huán)境的系統(tǒng)可以在云端進行遠程在線升級和維護，快速實現(xiàn)各種控制和辦公軟件的部署，快速應對智能制造中的精細化和柔性制造的各種需求。云桌面技術從設計架構上保證了企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，減少單個終端故障對系統(tǒng)運行的整體性影響。云桌面技術提供的分布式計算和存儲，硬件資源虛擬化技術能夠保證企業(yè)生產(chǎn)長時間連續(xù)運行，為企業(yè)提供全天候生產(chǎn)提供了技術支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了現(xiàn)場生產(chǎn)設備的安全、可靠、短延遲的通信連接，云桌面技術保障關鍵數(shù)據(jù)的安全，減小設備維護難度，并為企業(yè)員工提供了移動、便捷的工作環(huán)境。

4 結語

以智能制造為目標的工業(yè)4.0發(fā)展趨勢既是傳統(tǒng)制造企業(yè)的機遇，也是面臨的挑戰(zhàn)。首先，在工業(yè)4.0的大潮中，工業(yè)制造企業(yè)需要利用工業(yè)以太網(wǎng)技術實現(xiàn)工廠設備的互聯(lián)互通，對生產(chǎn)過程進行自動化、智能化控制；其次，大型制造企業(yè)往往規(guī)模巨大，在全世界可能有多家工廠，人員全球辦公，如何將云計算等新技術應用到生產(chǎn)線和企業(yè)辦公環(huán)境來提高競爭力，是各個制造企業(yè)都需要面對的問題。工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)了工廠生產(chǎn)設備之間的可靠互聯(lián)互通，以及自動控制，云桌面技術保證了企業(yè)能在全球范圍內(nèi)靈活應對智能生產(chǎn)業(yè)務。工業(yè)以太網(wǎng)和云桌面技術的融合必將推動智能制造的深入發(fā)展，促進制造業(yè)向自動化、智能化轉型升級。